Et signalforøgelse til molekylær mikroskopi

Carbon nanorør kan fremstilles med forskellige former og egenskaber og er derfor af stor interesse for udbredte applikationer inden for så forskellige områder som elektronik, fotonik, nanomekanik, og kvanteoptik. Derfor er det vigtigt at have et værktøj ved hånden, der gør det muligt at bestemme disse egenskaber på en hurtig og præcis måde. Raman -spektroskopi er særlig følsom over for den kemiske struktur, der giver anledning til disse egenskaber. Imidlertid, signalerne er iboende svage og kræver forbedringsteknikker. Nu, et team af forskere fra Laser Spectroscopy Division hos Prof. Theodor W. Hänsch (direktør ved Max Planck Institute of Quantum Optics og formand for eksperimentel fysik ved Ludwig-Maximilians-Universität, München) har udviklet en teknik, hvor en optisk mikrohule bruges til at forbedre Raman -spredningssignaler, og brugte det til molekylær diagnostik ved kombineret Raman og absorptionsbilleddannelse. I modsætning til andre teknikker, den nye tilgang er kun afhængig af øgede vakuumudsving i det elektromagnetiske felt inde i et hulrum, som muliggør betydelig forbedring uden uønsket baggrund, og gør derved teknikken til et lovende værktøj til molekylær billeddannelse.

Hver molekylart har sit eget fingeraftryk af vibrationsfrekvenser, der bærer information om dens kemiske struktur. Raman -spektroskopi gør det muligt at optisk detektere vibrationsspektret på en kraftfuld måde ved uelastisk lysspredning. Som en optisk teknik, det kan muliggøre rumlig billeddannelse og derved kombinere kemisk kontrast med høj rumlig opløsning. Denne kapacitet åbner op for en lang række applikationer til Raman -mikroskopi, lige fra analyse af biologiske prøver til karakterisering af nanomaterialer og industriel procesovervågning.

I denne undersøgelse, individuelle carbon nanorør undersøges. Nanorør findes i en række forskellige diametre og kan enten være metalliske eller halvledende. Raman -spektroskopi er særlig følsom over for den molekylære struktur, der styrer disse egenskaber, og Raman -billeddannelse gør det muligt at bestemme dette for individuelle nanorør. Imidlertid, konventionel Raman -spredning lider af iboende lavt signal, som er særlig alvorlig for billeddannelsesapplikationer og når man studerer individuelle nanosystemer. "Vores tilgang er at placere prøven af ​​nanorør, spredt på et substrat, inde i et mikroskopisk hulrum, hvor optiske resonanser kan udnyttes for at forbedre Raman -spredningsprocessen. På samme tid, hulrummet kan scannes på tværs af prøven og fokuserer lyset til en pletstørrelse ikke for langt fra diffraktionsgrænsen, sådan at der kan genereres billeder i høj opløsning ", forklarer Dr. David Hunger, en af ​​forskerne, der arbejder på projektet. "Hulrummet forstærker både Raman -spredningsprocessen såvel som absorption fra prøven. Dette gør det muligt at kombinere ultrafølsomt absorptionsmikroskopi med Raman -billeddannelse inden for en enkelt måling."

For at gøre hulrumsforbedringseffekten stor, i sidste ende kræves små hulrum, der er i stand til at lagre lys til mange tusinde cirkulationer - hvilket er en særlig udfordring, når der desuden ønskes scanningskapacitet til billedformål. I opsætningen af ​​mikrohulrum, udviklet af Dr. David Hunger og hans team, den ene side af resonatoren er lavet af et plant spejl, der tjener på samme tid som en bærer til prøven, der undersøges. Modstykket er et stærkt buet mikrospejl på enden af ​​en optisk fiber. Laserlys kobles ind i resonatoren gennem denne fiber. Planspejlet bevæges punkt for punkt i forhold til fiberen for at bringe prøven trin for trin i fokus for hulrumstilstanden. På samme tid, afstanden mellem begge spejle justeres således, at resonansbetingelsen for hulrummet matches med en resonans af en Raman -spredningsproces. Dette kræver positioneringsnøjagtighed i området af titalls picometre. "For at opnå et fuldt Raman -spektrum, vi justerer trinvist spejladskillelsen for at feje en hulrumsresonans hen over det ønskede spektrale område og indsamle det hulrumsforbedrede Raman-spredningssignal, "forklarer Thomas Hümmer, den førende ph.d. -studerende ved forsøget. "Da hulrumsresonanserne er ekstremt smalle, dette kan føre til en spektral opløsning, der ligger langt ud over konventionelle Raman -spektrometers kapacitet. "

På samme tid, Raman -signalet er stærkt forstærket, på grund af den såkaldte Purcell-effekt. Denne effekt kommer fra de øgede vakuumudsving og den store fotonlevetid inde i mikrohulen. I forsøget, dette fører til en forbedring af resonanslyset med op til en faktor 320. Ved sammenligning af det netsignal, der er opnået fra en enkelt Raman -linje fra hulrummet, til det signal, der opnås med det bedst mulige konventionelle mikroskop, hulrumseksperimentet opnår en mere end 6 gange stigning. Yderligere forbedringer bør gøre det muligt at øge denne forbedring med flere størrelsesordener i fremtiden.

Teknikkens fulde potentiale demonstreres derefter ved hulrumsforbedret hyperspektral billeddannelse. I en sådan måling, hulrumsforbedrede Raman-spektre er optaget mange steder på spejlet, og et rumligt billede kan konstrueres, viser f.eks. styrken eller linjeformen på Raman -linjer. "I vores eksperiment studerer vi en bestemt Raman -overgang, som er følsom over for nanorørets diameter og de elektroniske egenskaber. Ud fra det hyperspektrale billede kan vi udlede størrelsen på et stort sæt individuelle rør og afgøre, om de er metalliske eller halvledende, "forklarer Thomas Hümmer. En sådan analyse kan give afgørende oplysninger om en prøve.

Metodens anvendelighed på en lang række prøver gør den til et lovende værktøj til enkeltmolekyle Raman -billeddannelse. Desuden, ordningen kunne udvides til at bygge Raman -lasere med en række nye materialer, eller det kan bruges til at opnå kvantekontrol over molekylære vibrationer.